Professor besvarer læserspørgsmål om fusionsreaktoren W7-X

Illustration: Jan Michael Hosan

Denne artikel er opdateret 30. oktober 2020 med et nyt spørgsmål og svar - se nederst.

Thomas Sunn Pedersen, Director of Stellarator Edge and Divertor Physics ved Max Planck Institute for Plasma Physics og professor i fysik ved universitetet i Greifswald berettede for nylig ved et webinar arrangeret af IDA Energi om fusionsreaktoren Wendelstein 7-X i Greifswald.

Læs også: Dansk professor: Stellaratoren er det bedste bud på et fremtidigt fusionskraftværk

I debattråden under artiklen, der omtalte dette arrangement, stillede Kristian Glejbøl en række tekniske spørgsmål, som Thomas Sunn Pedersen nu har sendt svar på.

Hvorfor ikke højtemperatur superledere?

Først ville Kristian Glejbøl vide, hvorfor man ikke brugte højtemperatur-superledere.

Spørgsmål: Der bliver talt noget om HTSC, men så vidt jeg forstod er W7X baseret på en klassisk type 1 superleder. Hvorfor? Har det noget med flux-creep at gøre?

Svar: Nej, det er ikke derfor. Stort set alle superledere, der kommer i anvendelse, er type 2, også de LTSC og HTSC, jeg nævnte. HTSC af typen REBCO kan opnå langt højere magnetfeltstyrke og strømtæthed end LTSC som f.eks. NbTi.

Udviklingen af HTSC er for nylig nået dertil, hvor magneter af HTSC er begyndt at blive brugt for alvor i fusionsforskningen. Men på det tidspunkt, hvor W7-X’s design blev lavet, og det ligger ca. 20 år tilbage, var det ikke muligt.

HTSC var for længst opdaget, men der var ikke praktiske løsninger for, hvordan man laver store, komplicerede spoler ud af dem, som også holder til et quench og kan masseproduceres. Det er en sand revolution, der er i gang lige nu. Den er til dels også drevet af private investorer, men ikke kun. Karlsruhe Institute of Technology har eksempelvis et stærkt program på dette område.

Forstyrrer strømmen magnetfeltet?

Det næste spørgsmål drejer sig om magnetfeltet, der holder det op til 100 millioner grader varme plasma frit svævende i fusionskammeret.

Spørgsmål: Med hensyn til magneterne, så må strømmen i plasmaet påvirke magnetfeltet. Er W7X-magneterne designet til at optimere opstart af plasma, eller er de designet til optimal performance @ fuld plasma?

Svar: Det er et rigtig godt spørgsmål. Ja, strømmen i plasmaet påvirker magnetfeltet, også i en stellarator. Hvor kraftig denne effekt er, afhænger af den dimensionsløse parameter beta (plasmatryk divideret med magnetfelttryk). W7-X’s magneter er designet, så det bedste magnetfelt opnås ved de højeste betaværdier.

Magnetfeltet er altså bedre for et varmt, tæt plasma, end det er ved opstart af plasmaet. Af samme årsag får vi formentlig først vores bedste resultater i de kommende år, når vi har betydeligt højere plasmatryk/beta. Det kræver omkring tre gange så meget opvarmningseffekt, som vi har haft i disse indledende eksperimentfaser. Dette er dog ikke en enorm effekt, så vi kunne allerede bevise optimeringen ved forholdsvist lave beta-værdier.

Er neutroner et problem?

Spørgsmål: Som jeg ser det, må magneterne være udsat for et kraftigt neutronflux. Vil en sådan neutronflux ikke med tiden ødelægge eventuelle HTSC-magneter, der vel er afhængige af krystalstrukturen i de superledende filamenter? Med andre ord: hænger vi på type 1-superledere til evig tid?

Svar: Det hører med i et reaktordesign at sikre, at magneterne er afskærmet tilstrækkeligt til, at de har en lang levetid. Dette er også gjort for ITER’s design f.eks (primært NbSn-magneter, en type 2 LTSC).

De første resultater, jeg har hørt om, viser, at HTSC ikke kræver kraftigere afskærmning end LTSC, men det er et område, der forskes i lige nu, og jeg tror ikke, der er publiceret ret meget endnu. Jeg går personligt ud fra, at vi kommer til at benytte HTSC fremover.

Er materialedegradering et problem?

Spørgsmål: Sidst men ikke mindst: De elementer, der blev brugt til at shunte energi ud af reaktoren: Der blev talt en del om varme og afkøling, men ikke så meget om materialedegradering. Det er sådan set fint nok i en eksperimentel reaktor, der ikke kører så lang tid, men i en produktionsreaktor må der være en væsentlig erosion fra de energetiske partikler, ikke mindst He-partiklerne, der er ‘relativt’ tunge. Vil denne sputtering ikke reducere tiden imellem serviceintervaller væsentligt, og er der en løsning på dette?

Svar: Materialedegradering – generelt plasma-wall interaction – er et vigtigt tema, og der forskes intensivt på dette område. Det er helt rigtigt, at energetiske ioner kan skabe sputtering.

Det bedste materiale, vi har fundet i den forbindelse, er wolfram. Wolfram har et meget lavt sputtering yield, især hvis man kan køle plasmaet af, før det rammer divertorpladerne. Det er faktisk den primære årsag til, at vores ‘detachment’-rekord er så vigtig. Ved detachment har man ikke blot en langt mindre varmeflux, men har en voldsomt meget lavere sputtering, fordi partikelenergien er meget lavere.

Et kraftværk, der kan køre med detached divertor, vil have en divertor, der kan holde mange år. Med andre ord: Vi har faktisk demonstreret en løsning på det problem, men mangler dog at vise, at det også fungerer, når vi har kraftigere opvarmning af plasmaet, end vi har haft indtil nu.

Der er egentlig to årsager til, at vi gerne vil indeslutte heliumkernerne længe nok til, at de har afgivet det meste af deres kinetiske energi til D-T-plasmaet. Den ene er (som nævnt i foredraget), at det er opvarmningskilde for plasmaet, den anden er, at man undgår sputtering fra energetiske heliumkerner.

En alternativ løsning til sputteringproblemet er at skifte til kontaktflader, som består af flydende metal (f.eks. flydende litium). Dette er forsøgt med gode resultater på lille skala allerede, men kræver videre udvikling, og der hersker uenighed blandt eksperterne, om det kan udvikles til en realistisk løsning for et kraftværk. Jeg tænker især på Liquid Tokamak Experiment (LTX) på Princeton, og HYDRA stellaratoren på University of Illinois, og gruppen dér er også begyndt at arbejde i den retning. Privatfinansierede fusion-startups (f.eks. General Fusion i Canada) arbejder også på sagen. Det er et område, hvor man ville kunne investere lige nu og accelerere udviklingen af den teknologi betydeligt.

Den store fordel der er, at sputtering ikke betyder noget – overfladen er jo flydende, så den heler med det samme igen. Og hvis man får plasmaet til at skylle de injicerede partikler tilbage til divertoren (og det er lykkedes i mange tilfælde), så kan det være en praktisk og attraktiv løsning. Den store ulempe er, at vi nu skal holde styr på et flydende metal oven i at holde styr på plasmaet. Så er det jo godt, at man har en meget stabil konfiguration i en stellarator.

OPDATERING 30. oktober: Kan fusionsenergi i det hele taget blive til noget i praksis?

En anden debattør, Lars Røssel, skriver i tråden under denne artikel, at en desillusioneret pensioneret fusionsfysiker, Daniel Jassby, i en artikel har beskrevet , at fusion ikke kan blive rentabelt.

»Hvad mon professoren mener, er argumenterne valide?,« spørger Lars Røssell

Dette spørgsmål har Thomas Sunn Pedersen sendt et længere svar på, som kommer her:

Det er et rimeligt spørgsmål. Jassbys artikel en meget negativ vurdering af fusion og er skrevet af en, der har arbejdet længe i feltet. Det ville tage mig noget tid at svare på det hele på en kohærent og fyldestgørende måde. Det vil jeg afstå fra.

Jeg vil nøjes med at forholde mig direkte til hans konklusion, som er forholdsvist kortfattet og kan blive sat i perspektiv - i det store og hele tilbagevises - uden at skulle gå ret meget ud over, hvad det blev dækket i webinaret.

Jassbys konklusion er:

»To sum up, fusion reactors face some unique problems: a lack of natural fuel supply (tritium), and large and irreducible electrical energy drains to offset. Because 80 percent of the energy in any reactor fueled by deuterium and tritium appears in the form of neutron streams, it is inescapable that such reactors share many of the drawbacks of fission reactors—including the production of large masses of radioactive waste and serious radiation damage to reactor components. These problems are endemic to any type of fusion reactor fueled with deuterium-tritium, so abandoning tokamaks for some other confinement concept can provide no relief.«

Vi starter med det 'manglende tritium': Det kan, som Jens Ramskov også sagde i sit foredrag ved webinaret, skabes i reaktoren fra litium, hvoraf vi har til over en million år i verdenshavene. At skabe nok tritium til at processen kører selvforsynende, mangler vi stadig at demonstrere i praksis, men der er gennemtænkte koncepter for det, som også tager højde for et vist tab af tritium.

Large and irreducible electrical energy drains to offset. Her refererer Jassby formentlig til problemet med recirkulerende elektrisk effekt, som er et tokamakproblem, som jeg også nævnte i mit foredrag. Jeg nævnte også, at det er et problem, der ikke eksisterer i en stellarator. Man kan undre sig over, at Jassby ikke siger noget om det - stellaratoren blev trods alt opfundet på Princeton.

Stråleskader. Det er korrekt, at man er nødt til at have komponenter, der kan klare og absorbere neutronstrålingen. Dette er et af de problemer, man har godt styr på i fission, og som vi også forventer at kunne udvikle løsninger på til et fusionskraftværk. Der skal stadig gøres noget arbejde i det område, det er også derfor, vi planlægger at bygge testfaciliteter med kraftig neutronstråling. Se f eks. https://www.ifmif.org/

Hans udsagn startende med it is inescapable that such reactors share many of the drawbacks of fission reactors er vildledende. De to største problemer med fission - i den form vi har i dag - er sikkerhed (ustabilt arbejdspunkt) og langtlevende radioaktivt affald. Begge dele er markant bedre for fusionsreaktorer:

I fusion har man brændstof i plasmaet til nogle få sekunder, i fission har man brændsel til et par år i midten af reaktoren. Dermed er en fusionsproces trivielt nem at stoppe (bare ved at stoppe tilførsel af brændsel f eks) - mens fissionsprocessen kan udløse enormt meget energi hvis den bliver ustabil (jf. Chernobyl).

Hvad angår affaldsproblemet er forskellen også meget stor. Mens fissionsaffaldet skal lagres på en tidsskala af 100 000 år, er det for fusion ca. 50 år - og det har et meget lavere niveau af radioaktivitet helt fra starten. Som bekendt er det direkte affald fra fusionsprocessen helium og uskadeligt - det er kun de inderste komponenter i det udtjente kraftværk, vi taler om i forbindelse med radioaktivt affald i et fusionskraftværk. Det er selvfølgelig rigtigt, at det aktiverede stål osv. fra et udtjent kraftværk kommer til at veje en hel del tilsammen, det er bare ikke et stort problem, slet ikke sammenlignet med fission.

Ligeledes synes jeg det er vildledende at skrive »These problems are endemic to any type of fusion reactor fueled with deuterium-tritium, so abandoning tokamaks for some other confinement concept can provide no relief.«

Problemerne med neutronstrålingen er fælles for alle D-T fusionskoncepter. Men han får det til at lyde som om, at hele hans lange liste er fælles for alle D-T fusionskoncepter. Som det fremgår af mit foredrag og mine svar her, er det ikke tilfældet.

»Alt i alt synes jeg, Jassby fordrejer sandheden i sin artikel,« skriver Thomas Sunn Pedersen afslutningsvis.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Det lyder positivt, dejligt!

En desillusioneret pensioneret fusionsfysiker mener ikke fusion kan blive rentabel. Hvad mon professoren mener, er argumenterne valide? https://beyondnuclearinternational.org/201...

Og opfølgningen, mest omkring Iter: https://thebulletin.org/2018/02/iter-is-a-...

Andre har også været omkring kritikken, men det ville være dejligt at høre en kvalificeret dansk stemme :-) (https://www.reddit.com/r/fusion/comments/d...)

  • 3
  • 0

Det lettede:-) Så tør vi godt investere i energiformen igen.

Det er bare om at komme igang. Der er private initiativer i USA. Her taler man vist om at fusion kan blive nødvendigt for at trække CO2 ud af atmosfæren. Vi går en spændende tid imøde!

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten